Cổng Logic: Những Công Tắc “Siêu Nhỏ” Trong Máy Tính

Cổng logic một cấu trúc đơn giản nhất của một mạch điều khiển, đóng vai trò quan trọng cho việc xây dựng mạch điều khiển phức tạp. Cổng logic sẽ nhận tín hiệu điện từ đầu vào và điều chế đầu chế đầu ra theo mong muốn. Máy tính thực hiện hàng tỉ phép tính trong một giây cũng sử dụng các cổng logic siêu nhỏ để tính toán và xử lý tín hiệu khi nhận được lệnh từ thao tác người dùng.

Cổng logic: Những “công tắc” siêu nhỏ trong máy tính

Bạn có bao giờ tự hỏi làm thế nào mà máy tính có thể thực hiện hàng tỷ phép tính mỗi giây không? Bí quyết nằm ở những “công tắc” siêu nhỏ gọi là cổng logic.

Cổng logic là gì?

Hãy xem mạch công tắc cầu thang làm ví dụ. Nếu bạn bật một trong hai công tắc, đèn sẽ sáng. Hoặc bạn bật cả hai thì đèn vẫn sáng. Đó chính là cách hoạt động đơn giản của một cổng logic OR.

Trong máy tính, các cổng logic không điều khiển đèn mà chúng điều khiển dòng điện. Chúng có thể nhận vào một hoặc nhiều tín hiệu đầu vào (như bật hoặc tắt công tắc) và đưa ra một tín hiệu đầu ra (đèn sáng hoặc tắt).

Ký hiệu các cổng logic

Mỗi công logic sẽ có một ky hiệu riêng biệt. Có một điểm chung là các công NOT sẽ được ký hiệu vòng tròn ở phía sau OUTPUT.

Tại sao cổng logic lại quan trọng?

• Xây dựng mạch điện tử: Các cổng logic là những khối xây dựng cơ bản để tạo ra các mạch điện tử phức tạp hơn, như bộ vi xử lý, bộ nhớ, và nhiều thiết bị điện tử khác.
• Thực hiện các phép toán logic: Cổng logic thực hiện các phép toán logic như AND, OR, NOT, giống như phép cộng, trừ, nhân, chia trong toán học.
• Xử lý thông tin: Máy tính xử lý thông tin dưới dạng các số 0 và 1. Cổng logic giúp chuyển đổi các số 0 và 1 này thành các tín hiệu điện, thực hiện các phép tính và đưa ra kết quả.

Các cổng logic cơ bản:

• Cổng AND: Chỉ khi tất cả các đầu vào đều là 1 thì đầu ra mới là 1. Ví dụ: Cả hai công tắc đèn đều phải bật thì đèn mới sáng.
• Cổng OR: Chỉ cần một trong các đầu vào là 1 thì đầu ra đã là 1. Ví dụ: Chỉ cần một trong hai công tắc đèn được bật thì đèn đã sáng.
• Cổng NOT: Đảo ngược đầu vào. Nếu đầu vào là 1 thì đầu ra là 0 và ngược lại. Ví dụ: Công tắc bật thì đèn tắt, công tắc tắt thì đèn sáng.

Ngoài ra còn có các cổng logic khác như: NAND, NOR, XOR, XNOR. Mỗi loại cổng có chức năng khác nhau và được sử dụng để thực hiện các phép toán logic phức tạp hơn.

Tổng cộng có 7 cổng logic cơ bản và một cổng buffer giữ nguyên trạng thái.

Ứng dụng của cổng logic:

• Vi xử lý: Bộ não của máy tính, được xây dựng từ hàng triệu cổng logic.
• Bộ nhớ: Lưu trữ dữ liệu dưới dạng các số 0 và 1.
• Mạch điều khiển: Điều khiển các thiết bị điện tử như động cơ, đèn, cảm biến.
• Mạng máy tính: Truyền dữ liệu giữa các máy tính.

Cổng logic gần như một phép tính không thể thiếu trong bất kỳ một ứng dụng nào trong đời sống, khoa học, công nghệ … trong thời đại số.

Các cổng logic

Chúng ta có tất cả 7 cổng logic cơ bản bao gồm: AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR, XNOR. Để tìm hiểu cách thức hoạt động của từng loại chúng ta cùng tìm hiểu nhé.

Cổng logic BUFFER ( cổng đệm )

Cổng đệm là cổng duy nhất không có thuật toán giữa đầu vào và đầu ra. Có nghĩa là đầu vào là 1 thì đầu ra là 1 và ngược lại đầu vào là ( 0 ) thì đầu ra là ( 0 ).

Cổng đệm được dùng để khuếch đại tín hiệu trong một số trường hợp tín hiệu bị suy giảm khi kéo đi xa. Cổng đệm giúp đẩy tín hiệu tăng lên và duy trì độ mạnh cũng như chất lượng tín hiệu.

Một trong những ứng dụng phổ biến nhất là chia tín hiệu 4-20mA hoặc 0-10V mà không làm thay đổi giá trị tín hiệu đầu vào.

Cổng logic NOT

Cổng logic NOT tức là phủ định của đầu vào:

• Đầu vào ON thì đầu ra OFF
• Đầu vào OFF thì đầu ra ON

Cổng logic AND

Trong tiếng Anh chữ “AND” có nghĩa là “Và”. Đúng như tên gọi của nó cổng logic AND chỉ ra cùng trạng thái khi 2 Input giống như nhau. Trường hợp 2 đầu vào là 0 thì ngõ ra cũng là 0.

Cổng logic NAND

Cổng logic NAND chính là sự kết hợp giữa cổng logic AND và NOT. Tức là kết quả output sẽ là phủ định của AND.

Cổng logic OR

Cỗng logic OR được đặt theo sát nghĩa tiếng Anh của nó. Chỉ cần một trong 2 đầu vào là ON thì đầu ra sẽ là ON.

Cổng XOR

Cổng XOR (eXclusive OR) biểu thị cho phép tính ĐÚNG hoặc SAI. Đầu ra của cổng XOR sẽ là “true” (hoặc 1) nếu chỉ một trong hai đầu vào là “true”; và sẽ là “false” (hoặc 0) khi hai đầu vào giống nhau.

Cổng XOR thường được dùng cho các thuật toán kiểm tra cà xử lý lỗi. Không cho phép các trùng lặp xảy ra.

Cổng XNOR

Cỗng XNOR ngược lại với XOR khi hai trạng thái giống nhau sẽ cho ra phép tính đúng và ngược lại khi hai BIT khác nhau sẽ cho ra phép tính sai.

Ứng dụng XNOR dùng cho việc so sánh đầu vào tín hiệu có bằng nhau hay không. Mạch ADC thường dùng cổng XNOR để so sánh đầu vào Analog 4-20mA hoặc 0-10V để điều chế đầu ra.

Cổng logic NOR

Cổng logic NOR chỉ cho phép đầu ra mức cao ( 1 ) trong trường hợp cả 2 đầu vào đều bằng  ( 0 ). Bất kỳ đầu vào nào khác ( 0 ) thì đầu ra cũng là mức  ( 0 ).

Cổng logic NOR thường thấy trong các flip-flop, bộ nhớ RAM. Ngoài ra cổng NOR còn được sử dụng cho các mạch xử lý nhiễu tín hiệu.

Chúc các bạn thành công !

Kỹ sư Cơ – Điện Tử

Nguyễn Minh Hòa